大气汞的来源、形态及环境过程研究现状

对大气中汞的主要研究内容进行概述，包括大气汞的来源与释放量、大气反应与传输及大气-水、土、植物界面的交换等过程，并指出大气环境研究中需进一步完善的领域。     

中亚热带典型林分汞的输入/输出平衡

针对四面山常绿阔叶林中汞的输入/输出量进行了为期1年的监测,结果显示:四面山大气降雨中总汞(THg)和总甲基汞(TMeHg)的浓度分别为(11.23±2.6)ng/L和(0.35±0.24)ng/L,该地区大气降水受到了人为汞污染的影响;大气降水在经过森林林冠层的过程中,淋溶了沉降在林冠层的大气干沉降,进而导致林内降雨中的THg浓度升高,但是林内降雨中的TMeHg浓度基本保持不变;森林地表径流水中THg的浓度(4.5±2.0)ng/L相较大气降水明显降低,说明该森林生态系统对大气降水中的汞具有很强的拦截固定作用.枯枝落叶是该森林生态系统主要的汞输入途径,其主要通过叶片对大气环境中汞的吸收,而随着枯枝落叶在地表的积累并分解,这部分汞被富含高浓度溶解性有机物的表层土壤固定在土壤层中.林地地表/大气界面释汞是该森林生态系统汞流失的主要途径,地表释汞通量暖季比较大而冷季较小,其主要受光照、温度、地表汞浓度、土壤含水量等影响.该森林生态系统,总的汞输入量大于总输出量,在汞的地球化学循环中起到汇的作用.     

均相/非均相体系中亚硫酸钙非催化氧化过程

将空气鼓入一个装有亚硫酸钙溶液 浆液且混合良好的鼓泡搅拌反应器中,反应器是有效容积为1000mL的五口烧瓶,空气连续鼓入反应器中实现亚硫酸钙的强制氧化.实验结果表明,对于亚硫酸钙的非催化氧化过程,均相体系与非均相体系之间既紧密联系,又具有不同的反应特征.均相体系中仅存在气 液传质和氧化反应过程,而非均相体系远比均相体系复杂,同时存在溶解 氧化 结晶过程,该过程对非均相体系的氧化过程产生巨大影响.以上2种体系的主要差别表现为氧化速率相差2个数量级,非均相体系更有利于氧化过程的进行.     

三峡库区典型农田系统大气汞浓度及不同自然界面释汞通量

以三峡库区周边典型农田系统为研究对象,对不同土壤利用类型下的界面汞释放通量及影响因素进行系统研究,并同时对区域内大气汞(TGM)浓度进行监测.结果表明,研究区TGM浓度范围为2.67~75.5 ng·m~(-3),春冬两季显著高于夏秋季,其均值为(6.26±8.11)ng·m~(-3),明显高于全球TGM浓度背景值.不同地表类型下土壤释汞通量表现为旱地稻田林地;季节变化表现为夏季最高,冬季最低;日变化中最大的释放量出现在正午.不同地表中释汞通量的主要影响因素均为气温、湿度、光照、紫外线强度、土温等,其中气温和紫外强度是影响不同地表土/气界面汞交换的主要因子;在环境因子与农业活动的外界影响下,土壤本底汞含量对不同界面的土壤释汞通量的作用不明显.     

青岛霾天气下大气汞的污染特征分析

2013年1月14~17日青岛市经历了一次大范围的霾污染过程,采集并测定大气气态汞和颗粒态汞,研究汞的污染特征.结果表明,气态汞(TGM)的平均浓度为(2.8±0.9)ng/m3,颗粒汞(PHg)的平均浓度为(245±174)pg/m3.在霾发生的14、15日PHg/TSP的比值明显高于16、17日,且TGM与PHg浓度呈负相关关系,霾日气象条件有利于TGM向PHg转化.大气汞浓度与温度、相对湿度正相关,与风速负相关.TGM与SO2、NO2显著正相关,化石燃料的燃烧是大气汞的主要来源.对大气气团的后向轨迹进行聚类分析,将其分为5类,霾日大气中的汞主要来自近距离传输,受山东本地污染影响,气态汞含量最高.     

万山汞矿区地表与大气界面间汞交换通量研究

采用动力学通量箱与高时间分辨率大气自动测汞仪联用技术对万山汞矿区不同季节、不同地表与大气界面间汞交换通量和大气汞含量进行了测定.结果显示,受人为活动和地表强烈释汞的影响,万山地区大气汞含量高出背景区1～3个数量级,在冶炼厂附近平均值可达1 101.8 ng/m³,最低平均值达17.8 ng/m³,显示万山汞矿区已遭受较严重的大气汞污染.万山汞矿区土壤与大气界面汞交换非常强烈,土壤向大气的释汞通量最高可达27 827 ng/(m².h),大气汞干沉降通量最高可达9 434ng/(m²·h).万山汞矿区土壤与大气汞交换通量主要受光照强度、大气汞含量影响.光照在土壤释汞过程中起促进作用,而较高的大气汞含量则抑制了土壤向大气的释放,并导致大气汞强烈的干沉降.不同的地表类型对地表释汞影响较大,植被覆盖土壤释汞通量显著低于无植被覆盖地区,而冶炼后的矿渣堆则成为大气汞的净源.     

重庆缙云山4种典型植被覆盖下汞的释放通量及影响因素

为了揭示不同植被覆盖下土壤/大气界面释汞通量及其交换特征,在缙云山国家级自然保护区内选择4种典型植被覆盖类型(常绿阔叶林、楠竹林、灌木林以及草地)为研究对象,连续同步监测不同植被覆盖下土/气界面汞释放通量,同时考察各环境因子对土壤释汞的影响.结果表明,缙云山在4种不同植被覆盖下土壤汞释放通量具有明显的差异,总体表现为楠竹林[17.77 ng·(m~2·h)~(-1)]草地[17.58 ng·(m~2·h)~(-1)]灌木林[16.87 ng·(m~2·h)~(-1)]常绿阔叶林[14.32 ng·(m~2·h)~(-1)];不同植被覆盖下土壤释汞通量在季节变化上呈现相似的规律性,但不同植被覆盖类型之间也存在明显差异,主要体现在暖季汞释放通量高于冷季;缙云山地区不同林植被覆盖下土壤释汞通量存在明显的日变化;气象因素光照强度、气温、土温和相对湿度,对土/气界面汞释放通量影响也不相同,气温为常绿阔叶林,灌木林与楠竹林的主要影响因子,光照强度为草地的主要影响因子.     

贵阳市燃煤烟气中汞在大气中传输的数值模拟

利用中尺度非静力大气化学模式(MESO-NHC),以及目前大气中臭氧(O₃)和氢氧基(OH)对汞氧化的研究成果,研究贵阳市原煤燃烧产生的大气汞传输,以及φ(大气汞)对Hg0的干沉积速率,OH与元素汞(Hg0)的反应率常数的敏感性. 结果表明:①模拟区内实际大气中φ(Hg0)为局地人为排放源和自然排放源共同作用的结果,二者所占比例大致相当. ②由于化学和沉积特性不同,φ(Hg0),φ〔Hg(Ⅱ)〕和φ(HgP)随着与排放源距离增加而衰减的程度存在差异,排放源对附近地区φ(大气汞)及各种形态汞所占比例影响较大;在远离排放源的地方,大气中的Hg(Ⅱ)和HgP主要来自于Hg0不断的氧化作用. ③φ(大气汞)表现出2种不同的垂直分布特征,在一定高度以下φ(Hg0)随高度线性递减,而在该高度之上直到对流层顶φ(Hg0)几乎保持同样的数值;φ〔Hg(Ⅱ)〕和φ(HgP)随高度的变化遵循指数递减规律. φ(Hg0)随高度和与排放源距离增加而衰减的程度不及φ〔Hg(Ⅱ)〕和φ(HgP),主要是由于Hg0通过化学反应和沉积而离开大气的量少,能较充分通过平流扩散和垂直输送作用输送到离排放源较远和较高的地方. ④排放源附近φ(大气汞)较高的地方φ(大气汞)对Hg0的干沉积速率敏感性较高,而φ(大气汞)较低的地方其敏感性较低. ⑤φ(大气汞)对Hg0被OH氧化的反应率常数(k)的变化普遍很敏感,在较大的反应率常数kHg-OH3.55×10-14×e294/T情况下,Hg0所占比例偏低,而Hg(Ⅱ)和HgP所占比例偏高,与监测结果偏差较大;在kHg-OH2.94×10-14情况下模拟结果更为合理.      

贵阳市燃煤烟气中汞在大气中传输的数值模拟及敏感性数值试验

利用中尺度非静力大气化学模式(MESO-NHC),以及目前大气中臭氧(O3)和氢氧基(OH)对汞氧化的研究成果,研究贵阳市原煤燃烧产生的大气汞传输,以及φ(大气汞)对Hg0的干沉积速率,OH与元素汞(Hg0)的反应率常数的敏感性.结果表明:①模拟区内实际大气中φ(Hg0)为局地人为排放源和自然排放源共同作用的结果,二者所占比例大致相当.②由于化学和沉积特性不同,φ(Hg0),φ〔Hg(Ⅱ)〕和φ(HgP)随着与排放源距离增加而衰减的程度存在差异,排放源对附近地区φ(大气汞)及各种形态汞所占比例影响较大;在远离排放源的地方,大气中的Hg(Ⅱ)和HgP主要来自于Hg0不断的氧化作用.③φ(大气汞)表现出2种不同的垂直分布特征,在一定高度以下φ(Hg0)随高度线性递减,而在该高度之上直到对流层顶φ(Hg0)几乎保持同样的数值;φ〔Hg(Ⅱ)〕和φ(HgP)随高度的变化遵循指数递减规律.φ(Hg0)随高度和与排放源距离增加而衰减的程度不及φ〔Hg(Ⅱ)〕和φ(HgP),主要是由于Hg0通过化学反应和沉积而离开大气的量少,能较充分通过平流扩散和垂直输送作用输送到离排放源较远和较高的地方.④排放源附近φ(大气汞)较高的地方φ(大气汞)对Hg0的干沉积速率敏感性较高,而φ(大气汞)较低的地方其敏感性较低.⑤φ(大气汞)对Hg0被OH氧化的反应率常数(k)的变化普遍很敏感,在较大的反应率常数kHg-OH=3.55×10-14×e294/T情况下,Hg0所占比例偏低,而Hg(Ⅱ)和HgP所占比例偏高,与监测结果偏差较大;在kHg-OH=2.94×10-14情况下模拟结果更为合理.     

沿海城市降水中总汞及汞同位素特征研究

大气汞沉降是汞从排放源进入地表系统最主要的迁移途径,利用汞同位素追踪汞在大气中的迁移转化规律及潜在来源对研究汞的生物地球化学循环具有重要意义.本研究于2012—2013年对厦门市小坪、坂头、鼓浪屿和洪文站点降水中总汞(THg)浓度和汞同位素的变化特征进行了研究.结果表明,厦门降水中THg浓度为1.0～59.4 ng·L~(-1),大气THg湿沉降量为13.1μg·m~(-2)·a~(-1).厦门冷、暖季降水中THg浓度相当,但由于暖季丰沛的降水量,导致暖季THg的湿沉降量约为冷季的2.5倍.降水样品中均表现出负的偶数汞同位素质量分馏(δ~(202)Hg,-2.2‰～-1.5‰)、正的奇数汞同位素非质量分馏(Δ~(199)Hg,0.08‰～0.22‰),以及轻微偏正的偶数汞同位素非质量分馏(Δ~(200)Hg,0.01‰～0.07‰).厦门降水中奇数汞同位素非质量分馏是大气汞液相光致还原反应的结果.偶数汞同位素非质量分馏不明显与其处于较低的纬度有关.厦门降水中δ~(202)Hg接近于厦门当地及贵州燃煤烟气中的δ~(202)Hg值,表明厦门降水中汞可能受到本地或传输过来的燃煤排放的影响.     

Release characteristics of mercury in chemical looping combustion of bituminous coal

This study evaluated the release characteristics of mercury from bituminous coal in chemical looping combustion (CLC) using Australian iron ore as the oxygen carrier in a fixed bed reactor. The effects of several parameters, such as temperature in the fuel reactor (FR) and air reactor (AR), gasification medium in the FR, and reaction atmosphere in the AR, on mercury release characteristics, were investigated. The mercury speciation and release amount in the FR and AR under different conditions were further explored. The results indicate that most of the mercury in coal was released in the FR, while the rest of it was released in the AR. Hg⁰ was found to be the major species in the released mercury. The results also indicate that a higher temperature in the FR led to an increase in the total mercury release amount and a decrease in Hg⁰ proportion. However, a higher temperature in the AR resulted in a decrease in the total mercury release amount and Hg⁰ proportion. The increase in the H₂O/CO₂ ratio of gasification mediums in the FR was beneficial for the increase in the total mercury release amount and Hg⁰ proportion. A higher O₂ concentration in reaction atmosphere in AR had a negligible effect on the total mercury release amount, but a positive effect on Hg⁰ oxidization.     

被动采样器(MerPAS)在气态汞含量和同位素分馏研究中的应用

汞（Hg）是一种具有生物毒性、易挥发的有害金属元素。在大气中主要以气态单质汞Hg⁰的形态存在,具有较长的大气滞留时间,能随大气环流扩散到全球。多尺度监测大气Hg⁰的浓度对于评估《关于汞的水俣公约》履行效果极为关键。由于操作简易且不易受恶劣环境影响,被动采样器是现有大气Hg⁰主动监测技术的有效补充。近期研究表明被动采样器（MerPAS）采集到的大气Hg⁰可以同时应用于汞浓度与稳定汞同位素的分析。鉴于MerPAS在大气汞的研究中的广泛应用前景,本文对MerPAS的结构、原理以及其在大气Hg⁰浓度和同位素研究方面的进展进行综述,并通过实地采集天津市市区的大气汞来验证其汞浓度和同位素测试的可靠性。结果显示：MerPAS能够准确地监测大气汞的浓度,并很好地保存大气Hg⁰的同位素信号,特别是非质量分馏信号。     

中国区大气汞污染模型模拟初探

介绍并利用Community Multiscale Air Quality-Hg (CMAQ-Hg)多尺度大气汞污染模型,模拟研究了2005年6月24日—7月31日我国大气汞污染状况. 初步模拟结果表明:人为排放源高的地区(如有汞矿群分布、煤炭和火力发电厂及金属冶炼厂)的大气中ρ(汞)较高,大气中元素态汞(GEM)的月均ρ(汞)高于反应性气态汞(RGM)和颗粒汞(PHG),初步反映了我国大气汞污染的分布以及不同形态汞的浓度分布受汞排放源种类及其物理化学特性的影响特征. 在解决汞排放源清单不确定性较大的问题及将模型运行参数本地化后,CMAQ-Hg有望成为研究我国汞污染特点及其长程输送的有力工具.      

降水中汞的赋存形态

在北京市不同地点和不同时期采集降水样品 36个 .分析结果表明 ,汞易形成相对稳定的络合态汞 ,除 Hg⁰_(w) 外各形态汞含量均表现为采暖期大于非采暖期 .降水中各形态汞的含量和百分比按大小排序 ,经统计检验 ,在非采暖期水相中为 Hg^re_(w)>[Hg⁰_(w),Hg²⁺_(w)],颗粒态汞为 Hg^re_(p)>Hg²⁺_(p)>Hg⁰_(p);在采暖期水相中均为 Hg^re_(w)>Hg²⁺_(w)>Hg⁰_(w),颗粒态汞为 Hg^re_(p)>[Hg²⁺_(p),Hg⁰_(p)].在非采暖期颗粒态汞含量及百分比 Hg^T_(p)>溶解态汞 Hg^T_(w),在采暖期颗粒态汞和溶解态汞没有明显差异 .小于 0.45μm颗粒吸附的汞 Hg⁰相对较多 ,Hg²⁺形态汞较少 ,水溶液中 Hg⁰ 形态汞少 ,Hg²⁺形态汞多 ,表明 Hg⁰ 形态汞更易在微小颗粒物上吸附 ,而 Hg²⁺形态汞相当部分可以保留在水溶液中 .     

大气颗粒态汞的粒径分布特征及风险评价——以天津城区样品为例

颗粒态汞在大气中停留时间短、易沉降,易对局地环境与人体健康造成危害,明确不同粒径颗粒态汞的分布,对进一步认知大气汞循环及环境归趋具有重要意义。本文讨论了2018年天津市四季大气颗粒态汞的粒径分布特征及季节性差异,判定了其可能来源,评估了其潜在生态和人体健康风险。结果表明,受初级排放源及活性气态汞的气-粒分配影响,颗粒态汞在PM_<0.5、PM_0.5～1粒径中明显富集,其环境健康危害一直被低估。大气颗粒态汞的平均浓度为181.1±97.2 pg/m³,冬季浓度较高,可能受人为排放量大、沉降率低、气-粒分配系数K_p与温度成反比因素控制。夏季浓度较低,除受清洁海相气团影响外,天气潮湿,汞的清除作用加大也是重要因素。颗粒态汞来源不同,冬季主要来源于北方燃煤供暖,春秋季与日常工业生产、车辆排放相关,夏季受自然源海相气团影响较大。尽管大气颗粒态汞通过呼吸给人体带来的健康风险较低,但细粒径风险值显著高于粗粒径,且其具有很强的生态环境危害,需要得到高度重视。     

中国燃煤汞排放清单的初步建立

建立中国分省燃煤汞排放清单,对于研究汞的大气化学转化、迁移和沉降,制定中国汞污染控制对策具有重要意义.本研究按经济部门、燃料类型、燃烧方式和污染控制技术将排放源划分为65种不同类型,根据各类型的煤炭消费量、燃料汞含量和汞排放因子计算汞排放量,最终建立了分省燃煤汞排放清单.用2组原煤汞含量数据资料计算的2000年中国燃煤大气汞排放量分别为161.6 t和219.5 t,其中绝大部分汞排放来自工业、电力和生活消费,分别占46%、35%和14%.Hg⁰、Hg²⁺和Hg_p在中国燃煤大气汞排放中所占的比例分别为16%、61%和23%.中国燃煤汞排放在各地区间有较大差异,排放量较大的省份有河南、山西、河北、辽宁和江苏,均超过10t/a.     

低分子有机酸对汞氧化还原反应的影响

为探究植被根系分泌物的主要成分低分子有机酸对汞氧化还原反应的影响,采用室内模拟试验,探讨了酒石酸、柠檬酸及琥珀酸对汞的还原、氧化反应的影响,并分析了其相应的作用机制.结果表明,酒石酸对汞还原反应有明显的促进作用,柠檬酸有抑制作用.低浓度琥珀酸对汞还原反应有促进作用,高浓度为抑制作用.酒石酸还原Hg2+的反应为二级动力学反应,速率常数为0.0014~0.0056 L·(ng·min)-1.3种有机酸在反应初期对Hg0表现出一定的氧化作用,但随后被氧化的Hg0又被重新还原.3种有机酸对Hg0的氧化能力顺序为:柠檬酸>酒石酸>琥珀酸.     

不同波长和强度光照对水体汞还原的影响

采用室内模拟实验,探讨不同光波长、强度对HgCl2还原反应的影响,根据载气中Hg0的实时浓度跟踪HgCl2还原反应的过程,计算Hg0释放通量来进行汞光还原程度定性分析、动力学定量分析,并运用积分法和微分法确定反应级数.结果表明,Hg2+的还原量与光波长呈负相关、与光强度呈正相关,说明光子提供的能量对汞的光还原反应起关键性作用,汞还原率由光波长和强度共同决定,并且受溶液体积和载气流速影响;在各组实验中,载气中的Hg0浓度均表现为先上升再下降后趋于平稳的规律,Hg0浓度上升阶段的主要反应是Hg2+的还原反应和Hg0的释放,而下降阶段的主要反应是Hg0的释放;本研究中可见光下的汞还原反应为一级反应,UVA、UVB光照下的汞还原反应为二级反应,这与汞的配合物具有特定的光谱吸收带和实验用灯提供的光波范围有关.     

Mercury oxidation and adsorption characteristics of potassium permanganate modified lignite semi-coke

The adsorption characteristics of virgin and potassium permanganate modified lignite semi-coke (SC) for gaseous Hg⁰ were investigated in an attempt to produce more effective and lower price adsorbents for the control of elemental mercury emission. Brunauer-Emmett-Teller (BET) measurements, X-ray powder diffraction (XRD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to analyze the surface physical and chemical properties of SC, Mn-SC and Mn-H-SC before and after mercury adsorption. The results indicated that potassium permanganate modification had significant influence on the properties of semi-coke, such as the specific surface area, pore structure and surface chemical functional groups. The mercury adsorption efficiency of modified semi-coke was lower than that of SC at low temperature, but much higher at high temperature. Amorphous Mn⁷⁺, Mn⁶⁺ and Mn⁴⁺ on the surface of Mn-SC and Mn-H-SC were the active sites for oxidation and adsorption of gaseous Hg⁰, which oxidized the elemental mercury into Hg²⁺ and captured it. Thermal treatment reduced the average oxidation degree of Mn^x+ on the surface of Mn-SC from 3.80 to 3.46. However, due to the formation of amorphous MnO_x, the surface oxidation active sites for gaseous Hg⁰ increased, which gave Mn-H-SC higher mercury adsorption efficiency than that of Mn-SC at high temperature.     

Absorption characteristics of elemental mercury in mercury chloride solutions

Elemental mercury （Hg^0） in flue gases can be efficiently captured by mercury chloride （HgCl2） solution. However, the absorption behaviors and the influencing effects are still poorly understood. The mechanism of Hg^0 absorption by HgCl2 and the factors that control the removal were studied in this paper. It was found that when the mole ratio of Cl^- to HgCl2 is 10：1, the Hg^0 removal efficiency is the highest. Among the main mercury chloride species, HgCl3^- is the most efficient ion for Hg^0 removal in the HgCl2 absorption system when moderate concentrations of chloride ions exist. The Hg^0 absorption reactions in the aqueous phase were investigated computationaIIy using Moller-Plesset perturbation theory. The calculated Gibbs free energies and energy barriers are in excellent agreement with the results obtained from experiments. In the presence of SO3^2- and SO2, Hg^2＋ reduction occurred and Hg^0 removal efficiency decreased. The reduced Hg^0 removal can be controlled through increased chloride concentration to some degree. Low pH value in HgCla solution enhanced the Hg^0 removal efficiency, and the effect was more significant in dilute HgCl2 solutions. The presence of SO4^2- and NO3^- did not affect Hg^0 removal by HgCl2.